美國(guó)半導(dǎo)體創(chuàng)新的發(fā)展：以Ideal Semiconductor為例的研究

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
本文通過(guò)Ideal Semiconductor公司的發(fā)展歷程，探討美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，同時(shí)分析CHIPS科學(xué)法案對(duì)行業(yè)發(fā)展的重要影響[1]。
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功率晶體管的技術(shù)創(chuàng)新
功率晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)組件。這類(lèi)器件在2022年的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到340億美元，預(yù)計(jì)到2030年將增長(zhǎng)到500億美元。從調(diào)光開(kāi)關(guān)到人形機(jī)器人，功率晶體管在各類(lèi)電子設(shè)備中負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換。功率晶體管架構(gòu)的演進(jìn)始于International Rectifier公司開(kāi)發(fā)的HEXFET，將晶體管設(shè)計(jì)從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪苯Y(jié)構(gòu)。

HEXFET的垂直架構(gòu)由多個(gè)層次組成：

底部是重?fù)诫s的n型硅基底（漏極）

中間是較厚的低摻雜電子區(qū)域

頂部是包含源極和溝道的復(fù)雜層

) }& {: _& H% ^4 |( x雖然這種設(shè)計(jì)帶來(lái)顯著進(jìn)步，但在高壓應(yīng)用中存在局限性。增加阻斷電壓能力會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)的電阻呈指數(shù)級(jí)增加。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，業(yè)界開(kāi)發(fā)了RESURF超結(jié)構(gòu)架構(gòu)，通過(guò)在中間n型層中引入p型材料來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的電壓阻斷能力。然而，這種方案使器件的導(dǎo)電面積減半，為性能改進(jìn)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

SuperQ技術(shù)創(chuàng)新
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# c9 U& w5 x7 n0 o9 R, h圖1：Ideal Semiconductor的SuperQ功率晶體管，在高壓能力和低電阻方面實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展。
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Ideal Semiconductor的SuperQ技術(shù)提供了新穎的解決方案。不同于使用大體積p型硅進(jìn)行電荷平衡，SuperQ采用納米級(jí)薄膜置于窄深溝槽中。這項(xiàng)創(chuàng)新保持了HEXFET的寬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備高壓處理能力。
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3 X. T% W. p8 _  o& m# B! gSuperQ的開(kāi)發(fā)需要兩種在功率器件制造中較為少見(jiàn)的先進(jìn)制造技術(shù)：
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高深寬比溝槽刻蝕

原子層沉積(ALD)實(shí)現(xiàn)精確的材料層控制

從實(shí)驗(yàn)室到制造的歷程

圖2：Ideal Semiconductor的應(yīng)用工程師Orion Kress-Sanfilippo在電源設(shè)備中測(cè)試SuperQ器件的性能。

從概念到商業(yè)產(chǎn)品的過(guò)程展現(xiàn)了美國(guó)半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。2014年，當(dāng)Granahan開(kāi)始開(kāi)發(fā)SuperQ概念時(shí)，美國(guó)缺乏適合制造先進(jìn)功率器件的工廠。這個(gè)問(wèn)題迫使公司在早期開(kāi)發(fā)階段做出妥協(xié)，與非最優(yōu)的制造合作伙伴合作，并投資額外設(shè)備。
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CHIPS法案的影響
2022年通過(guò)的CHIPS科學(xué)法案撥款520億美元用于振興美國(guó)半導(dǎo)體制造和創(chuàng)新。該法案的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

1. 制造支持：
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390億美元用于新建制造設(shè)施

支持先進(jìn)和專(zhuān)用半導(dǎo)體的本土生產(chǎn)能力
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2. 研發(fā)投資：
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110億美元用于研究和開(kāi)發(fā)

包括建立國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)中心(NSTC)

3. 國(guó)防應(yīng)用：
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20億美元專(zhuān)門(mén)用于國(guó)防領(lǐng)域半導(dǎo)體
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NSTC作為初創(chuàng)企業(yè)的重要支持平臺(tái)，將提供：
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先進(jìn)設(shè)計(jì)工具和設(shè)備使用權(quán)

原型制作和封裝設(shè)施

設(shè)計(jì)支持資源

多項(xiàng)目晶圓機(jī)會(huì)以降低開(kāi)發(fā)成本
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對(duì)于Ideal Semiconductor等公司，CHIPS法案的實(shí)施可能將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短50%，成本降低40%。本土制造能力和支持基礎(chǔ)設(shè)施的建立解決了此前迫使美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)尋求海外合作伙伴或在開(kāi)發(fā)過(guò)程中做出妥協(xié)的關(guān)鍵問(wèn)題。
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展望未來(lái)
8 t- w1 L7 T# R( ~3 s* v5 HCHIPS法案不僅增強(qiáng)制造能力，還創(chuàng)建了支持從概念到商業(yè)化全過(guò)程的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。隨著NSTC設(shè)施陸續(xù)投入運(yùn)營(yíng)（設(shè)計(jì)設(shè)施將于2025年、極紫外光刻中心將于2026年、原型制作設(shè)施將于2028年投入使用），下一代半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)將獲得以前在國(guó)內(nèi)無(wú)法獲得的資源。
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8 `6 G9 p0 a1 D7 G8 g積極成果已經(jīng)顯現(xiàn)——Ideal的制造合作伙伴Polar Semiconductor獲得了CHIPS法案首筆1.23億美元資金，用于擴(kuò)建設(shè)施和提升能力。這項(xiàng)投資顯示法案已開(kāi)始加強(qiáng)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)，為創(chuàng)新企業(yè)更高效地將創(chuàng)意投入市場(chǎng)創(chuàng)造新機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)
[1] S. K. Moore, "This Startup Shows Why the U.S. CHIPS Act Is Needed,"IEEESpectrum,Oct.21,2024[Online].Available:https://spectrum.ieee.org/power-electronics-2669401997
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